4. 热力学第二定律（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第三章 热力学定律 选择性必修三•人教版 4.热力学第二定律 冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。春夏秋冬，温暑凉寒，何时何处不与冷热相关？人类不但掌握了精确的测温控温方法，还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现新的科学奇迹。可以说，现代科技的每一项成功——不论是试管婴儿的诞生，还是探索原子世界的奥秘；不论是杂交水稻的培育，还是驾驶“神舟”遨游太空，都离不开“冷热”的学问。 导入新课 一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？ 物理观念 通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。 科学思维 能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，即自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。 科学探究 了解能量与能源的区别以及能源的有限性。 科学态度 与责任 联系生活应用（如能源利用、环境保护），体会理论指导实践的思想，增强社会责任感。 学习目标 重点难点 重点 1.能量守恒定律的内容、数学表达及其物理意义 2.运用能量守恒定律分析实际物理过程问题 难点 准确理解能量转化与转移过程中的定量关系及物理含义 一、热力学第二定律 4.热力学第二定律 一、热力学第二定律 扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。 一、热力学第二定律 融化的冰糕，是否可以在同温下是否可以重新凝固？ 撒了气的气球，是否可以自发的把散掉的气体重新收集起来？ 一、热力学第二定律 覆水难收 君不见黄河之水天上来奔流到海不复回 大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？ 在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的。  满足能量守恒的过程是否都能实现呢？ 一、热力学第二定律 一、热力学第二定律的克劳修斯表述： 1.内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 2.热力学第二定律的克劳修斯表述说明： （Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日） ①物体间传热过程的方向性 ②自发性：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。 高温 低温 自发 外界做功 外界环境发生变化 一、热力学第二定律 3、热传导的方向性： （1）热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行。 （2）要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。 （3）热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。  一、热力学第二定律 电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？ 一、热力学第二定律 在电冰箱的实例中，热量的确从低温物体——冰箱内的食品，传到了高温物体——冰箱外的空气。但是这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入 ：必须开动冰箱的压缩机。如果不供电，冰箱的压缩机会停止工作，自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品。 一、热力学第二定律 二、热力学第二定律的开尔文表述 柴油机 1、热机的工作过程： ⑵从能流分配的角度看： 一、热力学第二定律 2、热力学第二定律的开尔文表述： 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。 3.热力学第二定律的开尔文表述说明： （1）不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 （2）机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。 机械能 内能（热） 全部转化（自发） 对第三者有影响 一、热力学第二定律 揭示了大量分子参与宏观过程的方向性： 一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的。 开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 热传递的方向性 机械能与内能转化过程的方向性 等价 一、热力学第二定律   热力学第一定律 热力学第二定律 区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机 联系 两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 二、能源是有限的 4.热力学第二定律 二、能源是有限的 五六十万年前 火的使用是人类在能源利用上的第一个里程碑，使人类脱离了茹毛饮血的时代。 石油时期 柴薪时期 煤炭时期 2000年前 蒸汽机的广泛使用，带动了工业革命和资本主义社会的成长。 19世纪80年代 内燃机的发展推动了19世纪末，20世纪初开始的机械化和电气化进程。 二、能源是有限的 1、能量耗散 能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。 柴薪时期 煤炭时期 石油时期 二、能源是有限的 2、品质降低 机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量。 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。 高品质：机械能、光能、 化学能、电能 低品质：内能 转化方向不可逆 二、能源是有限的 能源的开发 能源 能源的利用 常规能源：煤、石油、天然气等。 新能源：核能、风能、太阳能、海洋能等。 一次能源：煤、石油、天然气、水能、风能等。 二次能源：电能、氢能、焦炭等。 二、能源是有限的 能否再生 能源 可再生能源：水能、风能、潮汐能等。 不可再生能源：石油、煤等。 对环境的影响 清洁能源：太阳能、风能等。 非清洁能源：煤、石油、天然气等。 可循环使用、不断补充 无法在短期内再生 三、课堂总结 4.热力学第二定律 热力学第二定律 热力学第二定律 能量耗散：能量转变为内能后无 法重新使用 能源是有限的 能源是有限的资源 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体 开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响 四、练习与应用 5.液体 4.热力学第二定律 四、练习与应用 1.　(多选)下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　　) A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生 B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 C．机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不产生其他影响 D．气体向真空的自由膨胀是可逆的 四、练习与应用 答案 BC　 解析 热运动的宏观过程都有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不都能真的发生，故A错误；根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确，D错误；根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，所以机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不产生其他影响，故C正确． 四、练习与应用 2.(多选)我国航天员漫步太空已成为现实．飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此将实现此功能的设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”，其原理如图所示．两个相通的舱A、B间装有阀门K，指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换．打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡．若将此气体近似看成理想气体，则(　　) A．气体体积膨胀，对外做功 B．气体分子势能减小，内能增加 C．气体体积变大，温度不变 D．B中气体不可能自发地全部退回到A中 四、练习与应用 答案 CD　 解析 当阀门K被打开时，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以气体体积膨胀，对外不做功，故选项A错误；系统对外不做功，同时与外界无热交换，根据热力学第一定律可知，ΔU＝Q＋W，所以气体内能不变，气体的温度也不变，气体膨胀，体积变大，故选项B错误，C正确；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B中气体不能自发地全部退回到A中，故选项D正确． 四、练习与应用 3．(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性 B．“第二类永动机”不可能制成因为它违反了能量守恒定律 C．自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的 D．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的 四、练习与应用 答案 CD　 解析 空调制热和制冷都会消耗电能，不是自发进行的，选项A错误；“第二类永动机”不可能制成是因为它违反了热力学第二定律，不违反能量守恒定律，选项B错误；根据熵增加原理，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，选项C正确；根据热力学第二定律，自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，选项D正确． 五、提升训练 4.热力学第二定律 五、提升训练 1．关于热现象和热学规律，下列说法正确的是(　　) A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100% B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的 C．第二类永动机遵从能量守恒定律，故能做成 D．用活塞压缩气缸里的空气，对空气做功2.0×105 J，同时空气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了5×104 J 五、提升训练 答案D　 解析 由热力学第二定律知，B、C错误；绝对零度不可能达到，A错误；由热力学第一定律知，D正确． 五、提升训练 3．(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图，压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外，下列说法正确的是(　　) A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内 的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 五、提升训练 答案 BC　 解析 热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；再根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确． 五、提升训练 3.　(多选)如图中气缸内盛有一定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是 (　　) 五、提升训练 A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律 B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律 五、提升训练 【答案】CD 【解析】由于气体始终通过气缸与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以气缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能保证内能不变，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，C、D正确． Lavf59.6.100 $